Fest, aber geschmeidig
FAU-Wissenschaftler kommen einzigartiger Eigenschaft von Kollagen auf die Spur
Das Protein Kollagen ist Hauptbestandteil der menschlichen Haut. Es verfügt über einzigartige Eigenschaften: Bei geringen Kräften verhält sich das Kollagen weich und geschmeidig; nimmt der Druck zu, wird es steifer. Wissenschaftler der FAU haben nun nachgewiesen, welche Mechanismen dazu führen, dass sich die mechanische Steifigkeit von Kollagen automatisch den äußeren Belastungen anpasst. Ihre Beobachtungen könnten zur Verbesserung von synthetischen Materialien führen. Die Ergebnisse haben die Forscher im Wissenschaftsjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)* veröffentlicht.
Kollagen ist den meisten bekannt als Stoff, der für straffe Haut verantwortlich ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Protein im menschlichen Körper und verantwortlich für die mechanische Stabilität von Haut, Sehnen, Muskeln, Knochen und Bindegewebe. Eine Besonderheit von Kollagen besteht darin, dass es sich bei geringem Druck weich und geschmeidig verhält, bei zunehmender Belastung aber zunehmend steifer wird. Kollagen sorgt also dafür, dass die Zellen in unserem Körper einem gewissen inneren und äußeren Druck standhalten können. Diese außergewöhnliche Eigenschaft ist der Grund, weshalb Kollagen beispielsweise in gegerbter Form etwa als Leder für Schuhe oder in künstlichen Herzklappen von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist. Physiker der FAU haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Freien Universität Amsterdam und der Harvard-Universität jetzt einen weiteren Aspekt dieses mechanischen Verhaltens von Kollagen aufgedeckt.
Kollagen ist ähnlich einem Tau aufgebaut: Drei kettenförmige Kollagenmoleküle winden sich zunächst umeinander zu einer Art Seil zusammen. Mehrere dieser „Seile“ verbinden sich wiederum zu dickeren Seilen, sogenannten Kollagenfibrillen. Diese bündeln sich schließlich zu Kollagenfasern. Die Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass Kollagen aus diesen Fasern Netzwerke bildet, deren einzelne Fasern sich leicht biegen aber nur schwer in die Länge ziehen lassen. Mit zunehmenden Kräften jedoch strecken sich mehr und mehr Fasern und beginnen, sich gemeinsam auszurichten – ähnlich einem gespannten Fischernetz. Mithilfe einer mathematischen Analyse fanden die Wissenschaftler heraus, dass nicht alle Fasern gleich viel Kraft tragen: Der Anteil der krafttragenden Fasern verändert sich so, dass sich die mechanische Stabilität des gesamten Netzwerks immer perfekt der äußeren mechanischen Belastung anpasst – und zwar unabhängig davon, wie dicht die Fasern gepackt sind. Dieses Prinzip, so hoffen die Wissenschaftler, könnte sich in Zukunft für das Design neuer synthetischer Materialien mit adaptiven mechanischen Eigenschaften einsetzen lassen.
*Albert James Licup, Stefan Münster, Ahbinav Sharma et al.: Stress controls the mechanics of collagen networks. Proceedings of the National Academy of Sciences (USA). doi: 10.1073/pnas.1504258112
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Ben Fabry
Tel.: 09131/85-25610
bfabry@biomed.uni-erlangen.de